[論文レビュー] New insights into the population genetics of partially clonal organisms: when seagrass data meet theoretical expectations

Arnaud-Haond, Sophie, Stoeckel, Solenn+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Marine and coastal plant biology参考文献 81被引用数 95

ひとこと要約

本研究は、4種のマリンシダの165のメドウから得た集団遺伝学的データを分析することで、マリンシダにおけるクローン的無性繁殖の理論的予測を検証した。クローン率の上昇とFisの上昇および遺伝的多様性（R）の低下の相関が確認され、モデルの妥当性が裏付けられ、部分的クローン的生物におけるクローン的繁殖の評価にはFisがRよりも優れていると提言した。

ABSTRACT

Seagrass meadows are among the most important coastal ecosystems, in terms of both spatial extent and ecosystem services, but they are also declining worldwide. Understanding the drivers of seagrass meadow dynamics is essential for designing sound management, conservation, and restoration strategies. However, the poor knowledge of the effect of clonality on the population genetics of natural populations severely limits our understanding of the dynamics and connectivity of meadows. Recent modelling approaches have described the expected distributions of genotypic and genetic descriptors under increasing clonal rates. Here, in light of these recent theoretical developments, we revisited population genetic data for 165 meadows of four seagrass species. Contrasting shoot life span and rhizome turnover led to the prediction that the influence of asexual reproduction will increase along a gradient from Zostera noltii to Zostera marina, Cymodocea nodosa and Posidonia oceanica, which should be reflected by an increasing departure from Hardy-Weinberg equilibrium (Fis) and decreasing genotypic diversity (R). This meta-analysis provides a nested validation of this hypothesis at both the species and meadow scales through a significant relationship between Fis and R within each species. By empirically demonstrating the theoretical expectations derived from recent modelling approaches, this work calls for the use of Hardy-Weinberg equilibrium (Fis) rather than the strongly sampling-sensitive genotypic index R to assess the importance of clonal reproduction, at least when the impact of selfing on Fis can be neglected. The results also emphasize the need to revise our appraisal of the extent of clonality and its influence on the dynamics, connectivity and evolutionary trajectory of partial asexuals in general, including in seagrass meadows, to develop the most accurate management strategies.

研究の動機と目的

• マリンシダの集団遺伝学的データが、最近の理論的モデルが予測するクローン的影響と整合するかどうかを評価すること。
• 遺伝的多様性（R）とハリー＝ワインベルク均衡からのずれ（Fis）の両方が、クローン的無性繁殖を定量化するうえでどれほど信頼できるかを評価すること。
• クローン的繁殖が、ライフスタイル特性に差があるマリンシダ種における遺伝的構造と接続性に与える影響を理解すること。
• 保全と回復計画を支援するため、部分的クローン的生物におけるクローン的繁殖の評価を精緻化すること。
• 理論的期待をクローン系における実世界の集団遺伝学的データに適用するためのフレームワークを確立すること。

提案手法

• Zostera noltii、Zostera marina、Cymodocea nodosa、Posidonia oceanicaの4種にわたる165のマリンシダメドウの集団遺伝学的データをメタアナリシスした。
• 特にシュートの寿命と根茎の入れ替え速度を用いて、種特異的なライフスタイル特性をクローン率の勾配の代理指標として用いた。
• 各種においてFis（ハリー＝ワインベルク均衡からのずれ）とR（遺伝的多様性）の関係を検証するための統計モデルを適用した。
• 回帰分析と分散分析を用いて、種およびメドウスケールでFis-R関係の有意性を評価した。
• 特に異なるサンプリング条件下でのクローン的繁殖の指標としてのFisとRの感度および解釈可能性を比較した。
• 最近のクローンダイナミクスに関するモデル研究の理論的予測を、実証データ解析に統合し、一貫性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マリンシダメドウにおけるクローン的無性繁殖の度合いは、種特異的なライフスタイル特性に基づく理論的予測に従うか？
• RQ2 理論的モデルが予測するクローンダイナミクスに従い、マリンシダ種全体でFisとRの間に有意な相関が認められるか？
• RQ3 サンプリングバイアスは、遺伝的多様性（R）とFisの両方がクローン的繁殖を推定するうえでの信頼性にどのように影響するか？
• RQ4 自然のマリンシダ集団からの実証データは、Fisをクローン的繁殖の主な指標として用いることの妥当性をどの程度裏付けているか？
• RQ5 クローン集団遺伝学に関する理論的期待は、実世界の海洋被子植物系で実証的に検証可能か？

主な発見

• 4種すべてのマリンシダ種において、FisとRの有意な負の相関が観察され、Zostera noltiiからPosidonia oceanicaへのクローン率の勾配に伴い、理論的予測が裏付けられた。
• Fisは遺伝的多様性指数Rよりも、クローン的無性繁殖の指標としてより頑健で、サンプリングに依存しにくいことが確認された。
• 実証データは理論的モデルと強く整合しており、クローン率の上昇に伴いFisが上昇しRが低下することが、期待通りに観察された。
• 自己受精の影響が無視できる場合、Fisは部分的クローン的生物におけるクローン的繁殖の評価に信頼できる指標であることが裏付けられた。
• 種およびメドウスケールでのネストド検証により、理論的枠組みを実世界の集団遺伝学的データに適用する信頼性が強化された。
• 保全と回復計画におけるクローン的繁殖の評価方法を再考する必要がある。FisをRよりも優先すべきである。